JP4032803B2 - Gallium nitride compound semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、窒化物半導体(InXAlYGa1-X-YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)を用いた窒化ガリウム系化合物半導体素子に関し、特にInを含む活性層を有する窒化ガリウム系化合物半導体素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
窒化物半導体を用いた窒化ガリウム系化合物半導体素子は、発光ダイオード素子(LED)、レーザダイオード素子(LD)等の発光素子、太陽電池、光センサ等の受光素子、あるいはトランジスタ、パワーデバイス等の電子デバイスに用いられる。特に、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子は、紫外域から赤色に至るまで、幅広く可視光域での発振が可能と考えられ、その応用範囲は、光ディスクシステムの光源の他、レーザプリンタ、光ネットワークなどの光源など、多岐にわたるものと期待されている。
【0003】
従来の窒化ガリウム系化合物半導体素子では、Inを含むn型活性層と、Alを含むp型クラッド層を組み合わせたヘテロpn接合を基本構成にもつ場合が多い。また、Inを含むn型活性層は分解し易いため、比較的高温でp型クラッド層を成長するときの活性層の分解を防止するために、n型活性層とp型クラッド層の間にAlGaNから成るキャップ層を薄膜に形成する場合が多い。
【0004】
従来の窒化ガリウム系化合物半導体素子の一例として、窒化物半導体レーザの模式断面図を図3に示す。図3の窒化物半導体レーザは、InGaNから成るMQW活性層を、n型及びp型AlGaNクラッド層で挟んだダブルへテロ構造を有している。ELOG成長されたGaN基板101上に、バッファ層102を介して、n型AlGaNコンタクト層103、n型InGaNクラック防止層104、n型AlGaN/GaN超格子クラッド層105、アンドープGaN光ガイド層106、InGaNから成る量子井戸活性層107、p型AlGaNキャップ層108、アンドープGaN光ガイド層109、p型AlGaN/GaN超格子クラッド層110、p型GaNコンタクト層111が順に積層されている。また、162はZrO2からなる保護膜、164はSiO2とTiO2よりなる誘電体多層膜、120はp電極、121はn電極、122と123は取り出し電極である。
【0005】
活性層107は、アンドープInx1Ga1- x1N井戸層(0<x1<1)とSiドープInx2Ga1- x2N障壁層(0≦x2<1、x1>x2)が適当な回数だけ交互に繰り返し積層されたMQW構造を有している。p型AlGaNキャップ層108は、活性層107とヘテロpn接合を形成しており、電子を活性層107中に有効に閉じ込めてレーザの閾値を低下させる。また、p型キャップ層108は、活性層107へのホールの供給の役割を果たすため、高濃度のMgがドープされている。p型キャップ層108は、15〜500Å程度の薄膜で成長させれば良く、薄膜であればp型光ガイド層109やp型光クラッド層110よりも低温で成長させることができる。したがって、p型キャップ層108を形成することにより、p型光ガイド層109等を活性層の上に直接形成する場合に比べて、Inを含む活性層107の分解を抑制することができる。
【0006】
図3に示す構造の窒化ガリウム系化合物半導体レーザにより、室温、5mWの連続発振の条件で1万時間を超える寿命の達成が可能である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、窒化ガリウム系化合物半導体素子には、その用途を拡大するために、さらなる素子寿命の向上が求められている。特に、窒化ガリウム系化合物半導体レーザについては、素子寿命の向上が極めて重要であり、さらに、高温動作時のしきい特性向上も求められている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本件発明者は、窒化ガリウム系化合物半導体素子において、(1)n型活性層に近接するp型キャップ層の不純物濃度が低い方が、素子寿命及び温度特性が良好となること、及び(2)n型活性層とp型キャップ層とのpn接合界面で、n型及びp型不純物が互いに相殺し合う結果、キャリア生成に寄与しない不純物が存在することに着目し、本件発明をなすに至った。
【0009】
上記(2)の点について、図2(a)を参照しながら詳細に説明する。図2(a)は、従来の窒化物半導体素子におけるp型キャップ層とn型活性層とのpn接合界面の様子を示す模式図である。図に示すように、p型キャップ層にドープされているp型不純物10はホールを放出し、n型活性層にドープされているn型不純物12は電子を放出し、これらのホール及び電子がキャリアとなって素子電流を形成する。ところが、n型活性層の上にp型キャップ層を成長させる際、p型キャップ層中のp型不純物10は熱拡散によりn型活性層に一部侵入し、逆に、n型活性層中のn型不純物12は熱拡散によりp型キャップ層に一部侵入する。このためpn接合界面付近でp型不純物10の一部とn型不純物12の一部とが同じ領域内に混在することになり、ドナーとアクセプターが補償して有効なキャリア生成に寄与しなくなる。
【0010】
そこで、本件発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体素子は、Inを含みn型不純物をドープしたn型窒化ガリウム系化合物半導体から成る活性層と、Alを含みp型不純物をドープしたp型窒化ガリウム系化合物半導体から成るp型クラッド層とを有する窒化ガリウム系化合物半導体素子において、前記活性層と前記p型クラッド層との間に、窒化ガリウム系化合物半導体から成る第1のキャップ層と、Alを含みp型不純物をドープしたp型窒化ガリウム系化合物半導体から成る第2のキャップ層とを積層し、前記第1のキャップ層は、前記活性層よりも低濃度のn型不純物と前記第2のキャップ層よりも低濃度のp型不純物とを含み、前記第1のキャップ層のn型不純物濃度は、活性層に近い側で高く、前記第2のキャップ層に近い側で低くなるように活性層から離れるに従って減少しており、前記第1のキャップ層のp型不純物濃度は、前記第2のキャップ層に近い側で高く、前記活性層に近い側で低くなるように第2キャップ層から離れるに従って減少していることを特徴とする。
【0011】
また好ましくは、前記第1のキャップ層は、前記活性層に接して形成され、さらに前記第2のキャップ層は、第1のキャップ層に接して形成されていることを特徴とする。さらに好ましくは、p型の光ガイド層が前記第2のキャップ層に接して形成されていることを特徴とする。
【0012】
図2(b)は、本発明に係る窒化物半導体素子におけるp型キャップ層とn型活性層とのpn接合界面の様子を示す模式図である。図2(b)に示すように、本件発明によれば、n型不純物及びp型不純物がいずれも低濃度に含まれている第1のキャップ層をn型活性層とp型キャップ層(=第2のキャップ層)の間に設けたため、高濃度の不純物を含むp型キャップ層がn型活性層に直接接する場合(図2(a)の場合)に比べて、ドナーとアクセプタの補償を抑制することができる。したがって、補償が抑制された分だけp型キャップ層(=第2のキャップ層)へのp型不純物のドープ量を減少することができ、素子寿命と特性温度を向上することができる。
【0013】
最終の素子における不純物濃度は特に限定されないが、第1のキャップ層中のn型不純物及びp型不純物の濃度が1.0×1017cm−3以下であり、前記第2のキャップ層におけるp型不純物の濃度が8.0×1018〜2.0×1019cm−3であることが好ましい。尚、本件発明において、第1のキャップ層中のn型不純物及びp型不純物の濃度とは、層の厚さ方向における平均値いう。第1のキャップ層中のn型不純物及びp型不純物の濃度には、他の層からの熱拡散の影響によって層の厚さ方向に濃度勾配ができている。即ち、第1のキャップ層中のn型不純物濃度は、活性層に近い側で高く、活性層から離れるに従って減少し、また逆に、第1のキャップ層中のp型不純物濃度は、第2キャップ層に近い側で高く、第2キャップ層から離れるに従って減少する。
【0014】
また、ドナーとアクセプタの補償を効果的に抑制するために、第1のキャップ層は、n型不純物及びp型不純物をドープせずに成長することが好ましい。不純物をドープせずに成長させた場合であっても、第1のキャップ層は、活性層からの熱拡散によりn型不純物と第2のキャップ層からの熱拡散によりp型不純物とを含むことになる。
【0015】
不純物濃度が低い第1のキャップ層は高抵抗な層となるため、素子の駆動電圧を抑制する観点からは、第1のキャップ層が薄い方が好ましい。一方、p型不純物とn型不純物の相殺を抑制する観点からは、第1のキャップ層が厚い方が好ましい。アクセプタとドナーの補償抑制の効果は、活性層にドープされたn型不純物が第1のキャップ層中で示す熱拡散長と第2のキャップ層にドープされたp型不純物が第1のキャップ層中で示す熱拡散長との合計長が第1のキャップ層の膜厚にほぼ等しいときに最大となる。この時、第2のキャップ層から熱拡散してきたp型不純物とn型活性層から熱拡散してきたn型不純物が混在する領域は理論上なくなる。ここで、n型及びp型不純物が第1のキャップ層中で示す熱拡散長は、その不純物の第1のキャップ層への熱拡散が最も活発に起こる工程で示す値を基準とする。即ち、「n型不純物が第1のキャップ層中で示す熱拡散長」とは、n型不純物が第1のキャップ層の成長温度(絶対温度)において示す熱拡散長を指す。「p型不純物が第1のキャップ層中で示す熱拡散長」とは、p型不純物が第2のキャップ層の成長温度(絶対温度)において示す熱拡散長を指す。尚、少なくとも井戸層と障壁層とを有する多重量子井戸構造の活性層が、その活性層がノンドープで終了している場合には、そのノンドープ層と第1のキャップ層の合計膜厚が上記熱拡散長の合計に等しいときに不純物の補償抑制効果が最大となる。たとえば、ノンドープ井戸層とn型不純物ドープ障壁層を交互に積層した多重量子井戸構造を有する活性層が、ノンドープ井戸層で終了している場合には、井戸層と第1キャップ層の合計膜厚が上記熱拡散長の合計に等しいときに不純物の補償抑制効果が最大となる。
ここで熱拡散長Lとは、t秒後の不純物の拡散長のことをいい、Lは(D・t)の平方根で決まる(Lは理論値である)。ここでDは拡散定数であり、D=D0・a2exp(−U/kT)で表され、D0は成長初期の拡散定数、aはその材料における格子定数、Uはその材料におけるポテンシャルエネルギー、kはボルツマン定数、Tは温度をさす。
【0016】
第1のキャップ層には、例えば、GaN層、InxGa1- xN層(0<x<1)、及びAlyGa1- yN層(0<y<1)を用いることができ、また、これらの2種以上を積層したものを用いることができる。GaN層は、活性層中のIn解離の抑制に効果的であり、かつ、結晶性が良い層を形成し易い点で好ましい。InxGa1- xN層は、厚膜に形成してもVfの上昇がなく、結晶性良く積める点で好ましい。AlyGa1-yN層(0<y<1)は、活性層のInの解離の抑制に最も効果的である点で好ましい。
【0017】
前述の通り、第1のキャップ層の好ましい膜厚は、n型及びp型不純物が第1のキャップ層中で示す熱拡散長に依存するため、第1のキャップ層の組成によっても変化する。例えば、第1のキャップ層がGaN層から成る場合には、第1のキャップ層の膜厚は15〜100Å(より好ましくは50〜80Å)であることが望ましい。第1のキャップ層がInxGa1- xN層(0<x<1)から成る場合には、膜厚15〜150Å(より好ましくは85〜115Å)が望ましい。第1のキャップ層がAlyGa1- yN層(0<y<1)から成る場合には、膜厚15〜50Å(より好ましくは20〜50Å)が望ましい。
【0018】
一方、第2のキャップ層の膜厚は、低温で結晶性の良い膜を得るために、15〜500Åであることが好ましい。
【0019】
活性層は、Inを含みn型不純物をドープした窒化ガリウム系化合物半導体であれば良く、バルク、単一量子井戸構造、多重量子井戸構造のいずれでも良い。中でも、Inを含む窒化ガリウム系化合物半導体から成る井戸層と、n型不純物を添加した窒化ガリウム系化合物半導体から成る障壁層を交互に積層してなる量子井戸構造の活性層を有することが好ましいが、その場合には、第1のキャップ層が障壁層よりも低濃度のn型不純物を含むようにする。
【0020】
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体素子に用いるn型不純物としては、Si、Ge、Sn、S、O等が挙げられ、好ましくはSi、Snである。また、p型不純物としては、特に限定されないが、Be、Zn、Mn、Cr、Mg、Caなどが挙げられ、好ましくはMgが用いられる。
【0021】
尚、本明細書において、アンドープとは、窒化物半導体成長時に、ドーパントとなるp型不純物、n型不純物などを添加しない状態で成長させることを指し、例えば有機金属気相成長法において反応容器内に前記ドーパントとなる不純物を供給しない状態で成長させることを指す。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。本発明の窒化ガリウム系化合物半導体素子には、GaN、AlN、もしくはInN、又はこれらの混晶である窒化ガリウム系化合物半導体(InXAlYGa1−X−YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)を用いることができ、これらの一部を、B、Pで置換した混晶でもよい。
ここでは、窒化ガリウム系化合物半導体素子の一例として、窒化ガリウム系化合物半導体レーザを例に説明する。
【0023】
図1は、本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザを示す断面図である。図1の窒化物半導体レーザは、InaGa1- aN(0≦a<1)から成る活性層107が、n型AlbGa1−bN(0≦b<1)層103〜106(各層毎にbの値は異なる)と、p型AlcGa1−cN(0≦c<1)層108〜111(各層毎にcの値は異なる)によって挟まれており、いわゆるダブルへテロ構造が形成されている。
【0024】
活性層107は、Inx1Ga1- x1N井戸層(0<x1<1)とInx2Ga1- x2N障壁層(0≦x2<1、x1>x2)が適当な回数だけ交互に繰り返し積層されたMQW構造(多重量子井戸構造)を有している。井戸層はアンドープで形成されている一方、全ての障壁層にはSi、Sn等のn型不純物がドープされている。障壁層にn型不純物がドープされていることにより、活性層中の初期電子濃度が大きくなって井戸層への電子注入効率が高くなり、レーザの発光効率が向上する。活性層107は、井戸層で終わっても良く、障壁層で終わっても良い。活性層107には、蒸気圧の高いInNが比較的多量に混晶されているため、分解し易く、他の層よりも低温(約900℃)で成長される。
【0025】
キャップ層108は、アンドープで成長された第1のキャップ層108aと、高濃度のMgをドープして成長された第2のキャップ層108bの2層によって構成されている。
【0026】
第1のキャップ層108aは、n型活性層107の障壁層にドープされたSiと第2のキャップ層108bにドープされたMgとの補償を防止する役割を果たしており、例えば、GaN層、InxGa1- xN層(0<x<1)、AlyGa1- yN層(0<y<1)、又はこれら2種以上の積層体をアンドープで成長させたものである。第1のキャップ層108aの膜厚は、約15Å以上で、活性層107にドープされたSiが第1のキャップ層108a中で示す熱拡散長と第2のキャップ層108bにドープされたMgが第1のキャップ層108a中で示す熱拡散長との合計長以下である。ここで、Si及びMgが第1のキャップ層108a中で示す熱拡散長Lは前述の式で表すことができる。これにより、n型活性層107から熱拡散したSiと次に成長する第2のキャップ層108bから熱拡散するMgとの混在が防止される。
【0027】
第1のキャップ層108aをGaN層、InxGa1- xN層(0<x<1)、AlyGa1- yN層(0<y<1)のうち、2種以上の積層体をアンドープで成長させたものとしても良い。その場合、第1のキャップ層全体の好ましい膜厚は、その積層体の構成としてInGaN/GaN、InGaN/AlGaN、InGaN/GaN/AlGaNの組み合わせを採用する場合は15〜150Åであり、GaN/AlGaNの組み合わせを採用する場合は15〜100Åである。これにより、第1のキャップ層を単一の層で設けた場合と同様に、不純物の補償抑制効果の大きい窒化物半導体レーザ素子が得られる。尚、2種以上の窒化ガリウム系化合物半導体を積層して第1のキャップ層108aを構成する場合、第1のキャップ層108aに含まれる各層のバンドギャップが活性層側からpクラッド層側に向かって順次大きくなるようにすることが好ましい。
【0028】
n型活性層107から第1のキャップ層108aに拡散したSiは、第1のキャップ層108a中で、n型活性層107との界面から第2のキャップ層108bとの界面に向かってしだいに濃度が低くなる。逆に、第2のキャップ層108bから第1のキャップ層108aに拡散したMgは、第1のキャップ層中で、第2のキャップ層108bとの界面からn型活性層107との界面に向かってしだいに濃度が低くなる。n型活性層107及び第2のキャップ層108bからの熱拡散により第1のキャップ層108aに含まれるMg及びSiは、各々1.0×1017cm−3以下である。尚、第1のキャップ層108aを成長させるときに、SiやMg等の不純物を低濃度で(活性層及び第2キャップ層からの熱拡散後の最終的な濃度が1×1017cm−3以下となるような低濃度で)ドープしながら成長させても良い。第1のキャップ層108aは、n型及びp型不純物の両方をほぼ同量だけ含むため、結果的にi型となっている。
【0029】
第1のキャップ層108aは、活性層107中のIn解離を抑制するために、活性層107とほぼ同じ温度(約900℃)で成長させることが好ましい。活性層107よりも低温で成長させると活性層107からInが拡散されてくる恐れがあり、活性層107よりも高温で成長させると活性層中のInが解離し易くなる。
【0030】
一方、第2のキャップ層108bは、活性層107へのホール供給と活性層への電子閉じ込めの役割を担っており、例えば、AlzGa1- zN層(0<z<1、より好ましくは0.1<z<0.5)にp型不純物としてMgが8.0×1018〜2.0×1019cm−3の濃度にドープされて成る。第2のキャップ層108bは、結晶性の良好な薄膜を得るために1000℃以上の高温で成長させることが好ましい。第2のキャップ層108bにドープされたMgは下地層に向かって熱拡散するが、第1のキャップ層108aがあるためn型活性層107から拡散してきたSiと殆ど混合しない。したがって、第2のキャップ層108にドープされたほぼ全てのMgが有効なキャリア生成に寄与することになり、n型活性層の上に直接形成された従来のp型キャップ層に比べて、より少ないMgドープ量で同等のレーザ発振を得ることができる。
【0031】
また活性層のうち最も第1のキャップ層に近いn型不純物を添加した窒化ガリウム系化合物半導体からなる層のn型不純物濃度は5.0×1017〜1.0×1019cm−3であることが好ましい。
【0032】
以下、図1に示す窒化物半導体レーザについて、構造の詳細について説明する。基板101としては、GaNを用いることが好ましいが、窒化物半導体と異なる異種基板を用いても良い。異種基板としては、例えば、C面、R面、及びA面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル(MgA12O4のような絶縁性基板、SiC(6H、4H、3Cを含む)、ZnS、ZnO、GaAs、Si、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等、窒化物半導体を成長させることが可能で従来から知られており、窒化物半導体と異なる基板材料を用いることができる。好ましい異種基板としては、サファイア、スピネルが挙げられる。また、異種基板は、オフアングルしていてもよく、この場合ステップ状にオフアングルしたものを用いると窒化ガリウムからなる下地層が結晶性よく成長するため好ましい。更に、異種基板を用いる場合には、異種基板上に素子構造形成前の下地層となる窒化物半導体を成長させた後、異種基板を研磨などの方法により除去して、窒化物半導体の単体基板として素子構造を形成してもよく、また、素子構造形成後に、異種基板を除去する方法でも良い。
【0033】
異種基板を用いる場合には、バッファ層(低温成長層)と窒化物半導体(好ましくはGaN)からなる下地層を介して素子構造を形成すると、窒化物半導体の成長が良好なものとなる。また、異種基板上に設ける下地層(成長基板)として、その他に、ELOG(Epitaxially Laterally Overgrowth)成長させた窒化物半導体を用いると結晶性が良好な成長基板が得られる。ELOG成長層の具体例としては、異種基板上に、窒化物半導体層を成長させ、その表面に窒化物半導体の成長が困難な保護膜を設けるなどして形成したマスク領域と、窒化物半導体を成長させる非マスク領域を、ストライプ状に設け、その非マスク領域から窒化物半導体を成長させることで、膜厚方向への成長に加えて、横方向への成長が成されることにより、マスク領域にも窒化物半導体が成長して成膜された層などがある。その他の形態では、異種基板上に成長させた窒化物半導体層に開口部を設け、その開口部側面から横方向への成長がなされて、成膜される層でもよい。
【0034】
基板101上には、バッファ層102を介して、n型窒化物半導体層であるn型コンタクト層103、クラック防止層104、n型クラッド層105、及びn型光ガイド層106が形成されている。n型クラッド層105を除く他の層は、素子によっては省略することもできる。n型窒化物半導体層は、少なくとも活性層と接する部分において活性層よりも広いバンドギャップを有することが必要であり、そのためにAlを含む組成であることが好ましい。また、各層は、n型不純物をドープしながら成長させてn型としても良いし、アンドープで成長させてn型としても良い。
【0035】
n型窒化物半導体層103〜106の上には、活性層107が形成されている。活性層107は、前述の通り、Inx1Ga1- x1N井戸層(0<x1<1)とInx2Ga1- x2N障壁層(0≦x2<1、x1>x2)が適当な回数だけ交互に繰り返し積層されたMQW構造を有している。井戸層は、アンドープで形成されており、全ての障壁層はSi、Sn等のn型不純物が好ましくは1×1017〜1×1019cm−3の濃度でドープして形成されている。
【0036】
活性層107の上には、第1のキャップ層108a、第2のキャップ層108bが形成されている。前述の通り、第1のキャップ層108aは、アンドープで形成されているが、下地となっている活性層107からの拡散によってSi等のn型不純物を含んでおり、次に成長させる第2のキャップ層108bからの拡散によってMg等のp型不純物を含んでいる。したがって、第1のキャップ層108a中のn型不純物濃度は活性層107よりも低く、第1のキャップ層108a中のp型不純物濃度は第2のキャップ層108bよりも低くなり、いずれも1×1017cm−3以下となる。
【0037】
第2のキャップ層108bは、p型クラッド層110よりも高いAl混晶比を持つp型窒化物半導体から成り、好ましくはAlzGa1- zN(0.1<z<0.5)なる組成を有する。また、Mg等のp型不純物が8×1018〜2×1019cm- 3の濃度でドープされている。
【0038】
第2のキャップ層108bの上に、p型光ガイド層109、p型クラッド層110、p型コンタクト層111が形成されている。p型クラッド層110を除く他の層は、素子によっては省略することもできる。これらのp型窒化物半導体層は、少なくとも活性層と接する部分において活性層よりも広いバンドギャップを有することが必要であり、そのためにAlを含む組成であることが好ましい。また、各層は、p型不純物をドープしながら成長させてp型としても良いし、隣接する他の層からp型不純物を拡散させてp型としても良い。
【0039】
これら第1のキャップ層と第2のキャップ層は活性層に対して、活性層から離れるにつれてバンドギャップエネルギーが大きくなるように形成する(オフセットをとる)のが好ましい。すなわち第1のキャップ層が活性層(活性層が多重量子井戸構造である場合は井戸層)よりもバンドギャップエネルギーが大きい層で形成され、さらに第2のキャップ層が第1のキャップ層よりもバンドギャップエネルギーが大きい層とする。このような構成とすることで、最も効率よく電子の閉じ込めがなされ、キャリアのオーバーフローを抑えることができる。この好ましい形態としては、活性層の内、第1のキャップ層に隣接する層がInxGa1- xN層(0<x<1)で、第1のキャップ層がGaN層で、第2のキャップ層がAlyGa1- yN層(0<y<1)の形態か、もしくは、活性層の内、第1のキャップ層に隣接する層がInxGa1- xN層(0<x<1)で、第1のキャップ層がGaN層とAlyGa1- yN層(0<y<1)が順に形成された層で、第2のキャップ層がAlzGa1- zN層(y<z、0<z<1)の形態か挙げられ、この2つの形態は特に結晶性が活性層に近い程良く、さらにレーザ素子としての寿命を長くすることができる。
【0040】
n型窒化物半導体層及びp型窒化物半導体層は、とくにレーザ素子、端面発光素子においては、光ガイド層が設けられた構造を有し、この光ガイド層によって、導波路が設けられた構造となる。p側の光ガイド層は、第2のキャップ層とp側クラッド層の間に形成され、好ましくは第2のキャップ層に接して形成される。この光ガイド層は活性層内の井戸層よりも大きなバンドギャップエネルギーとし、また活性層と光ガイド層との屈折率差を小さくすることで、良好な導波路が設けられる。超格子構造でも単一膜で形成しても構わない。単一膜で形成することで、超格子とする場合と比べて、電流が流れやすくなり、Vfを下げることができる。その際、単一膜の膜厚は、少なくとも量子効果がない程度の膜厚で、好ましくは障壁層、第1のキャップ層、第2のキャップ層のいずれよりも大きい膜厚で、より好ましくは300Å以上の膜厚で形成することが好ましい。
【0041】
p型窒化物半導体層のうち、p型光ガイド層109の途中までリッジストライプが形成され、さらに、保護膜161、162、p型電極120、n型電極121、pパット電極122、及びnパット電極123が形成されて半導体レーザが構成されている。
【0042】
【実施例】
以下、実施例として、図1に示す構造の窒化ガリウム系化合物半導体レーザについて説明する。なお、実施例1〜7のいずれの実施例も、第1のキャップ層はアンドープで成長させているが、最終のレーザ素子として第1キャップ層に存在するn型不純物及びp型不純物の濃度は、1.0×1017cm−3以下となる。
[実施例1]
(基板101)
基板として、異種基板に成長させた窒化物半導体、本実施例ではGaNを厚膜(100μm)で成長させた後、異種基板を除去して、80μmのGaNからなる窒化物半導体基板を用いる。基板の詳しい形成方法は、以下の通りである。2インチφ、C面を主面とするサファイアよりなる異種基板をMOVPE反応容器内にセットし、温度を500℃にして、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニア(NH3)を用い、GaNよりなるバッファ層を200Åの膜厚で成長させ、その後、温度を上げて、アンドープのGaNを1.5μmの膜厚で成長させて、下地層とする。次に、下地層表面にストライプ状のマスクを複数形成して、マスク開口部(窓部)から窒化物半導体、本実施例ではGaNを選択成長させて、横方向の成長を伴った成長(ELOG)により成膜された窒化物半導体層を、さらに厚膜で成長させて、異種基板、バッファ層、下地層を除去して、窒化物半導体基板を得る。この時、選択成長時のマスクは、SiO2からなり、マスク幅15μm、開口部(窓部)幅5μmとする。
【0043】
(バッファ層102)
窒化物半導体基板の上に、温度を1015℃にして、TMG(トリメチルガリウム)、TMA(トリメチルアルミニウム)、アンモニアを用い、Al0.05Ga0.95Nよりなるバッファ層102を4μmの膜厚で成長させる。この層は、AlGaNのn型コンタクト層と、GaNからなる窒化物半導体基板との間で、バッファ層として機能する。
【0044】
(n型コンタクト層103)
次に得られたバッファ層102上にTMG、TMA、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、1015℃でSiドープしたAl0.05Ga0.95Nよりなるn型コンタクト層103を4μmの膜厚で成長させる。
【0045】
(クラック防止層104)
次に、TMG、TMI(トリメチルインジウム)、アンモニアを用い、温度を900℃にしてIn0.06Ga0.94Nよりなるクラック防止層104を0.15μmの膜厚で成長させる。なお、このクラック防止層は省略可能である。
【0046】
(n型クラッド層105)
次に、温度を1015℃にして、原料ガスにTMA、TMG及びアンモニアを用い、アンドープのAl0.05Ga0.95NよりなるA層を25Åの膜厚で成長させ、続いて、TMAを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Siを5×1018/cm3ドープしたGaNよりなるB層を25Åの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ200回繰り返してA層とB層の積層し、総膜厚1μmの多層膜(超格子構造)よりなるn型クラッド層106を成長させる。この時、アンドープAlGaNのAl混晶比としては、0.05以上0.3以下の範囲であれば、十分にクラッド層として機能する屈折率差を設けることができる。
【0047】
(n型光ガイド層106)
次に、同様の温度で、原料ガスにTMG及びアンモニアを用い、アンドープのGaNよりなるn型光ガイド層106を0.15μmの膜厚で成長させる。また、n型不純物をドープしてもよい。
【0048】
(活性層107)
次に、温度を900℃にして、原料ガスにTMI(トリメチルインジウム)、TMG及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Siを5×1018/cm3ドープしたIn0.05Ga0.95Nよりなる障壁層(B)を140Åの膜厚で、シランガスを止め、アンドープのIn0.1Ga0.9Nよりなる井戸層(W)を40Åの膜厚で、この障壁層(B)、井戸層(W)を、(B)/(W)/(B)/(W)・・・・/(B)の順に積層する。最終層は、障壁層とする。活性層107は、総膜厚約500Åの多重量子井戸構造(MQW)となる。
【0049】
(第1のキャップ層108a)
次に、同様の温度で、原料ガスにTMA、TMG及びアンモニアを用い、GaNよりなる第1のキャップ層108aを75Åの膜厚で成長させる。
【0050】
(第2のキャップ層108b)
次に、温度を1000℃に上げ、原料ガスにTMA、TMG及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてCp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、Mgを7.5×1018/cm3ドープしたAl0.3Ga0.7Nよりなる第2キャップ層108bを100Åの膜厚で成長させる。
【0051】
(p型光ガイド層109)
次に、温度を1000℃にして、原料ガスにTMG及びアンモニアを用い、アンドープのGaNよりなるp型光ガイド層109を0.15μmの膜厚で成長させる。このp型光ガイド層109は、アンドープとして成長させるが、p型電子閉込め層108、p型クラッド層109等の隣接層からのMgの拡散により、Mg濃度が5×1016/cm3となりp型を示す。またこの層は成長時に意図的にMgをドープしても良い。
【0052】
(p型クラッド層110)
続いて、1000℃でアンドープAl0.05Ga0.95Nよりなる層を25Åの膜厚で成長させ、続いてTMAを止め、Cp2Mgを用いて、MgドープGaNよりなる層を25Åの膜厚で成長させ、それを90回繰り返して総膜厚0.45μmの超格子層よりなるp型クラッド層110を成長させる。p型クラッド層は少なくとも一方がAlを含む窒化物半導体層を含み、互いにバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体層を積層した超格子で作製した場合、不純物はいずれか一方の層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと結晶性が良くなる傾向にあるが、両方に同じようにドープしても良い。クラッド層110は、Alを含む窒化物半導体層、好ましくはAlXGa1-XN(0<X<1)を含む超格子構造とすることが望ましく、さらに好ましくはGaNとAlGaNとを積層した超格子構造とする。p側クラッド層110を超格子構造とすることによって、クラッド層全体のAl混晶比を上げることができるので、クラッド層自体の屈折率が小さくなり、さらにバンドギャップエネルギーが大きくなるので、閾値を低下させる上で非常に有効である。さらに、超格子としたことにより、クラッド層自体に発生するピットが超格子にしないものよりも少なくなるので、ショートの発生も低くなる。
【0053】
(p型コンタクト層111)
最後に、1000℃で、p型クラッド層110の上に、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp型コンタクト層111を150Åの膜厚で成長させる。p型コンタクト層111はp型のInXAlYGa1-X-YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)で構成することができ、好ましくはMgをドープしたGaNとすれば、p電極120と最も好ましいオーミック接触が得られる。コンタクト層111は電極を形成する層であるので、1×1017/cm3以上の高キャリア濃度とすることが望ましい。1×1017/cm3よりも低いと電極と好ましいオーミックを得るのが難しくなる傾向にある。さらにコンタクト層の組成をGaNとすると、電極材料と好ましいオーミックが得られやすくなる。反応終了後、反応容器内において、ウエハを窒素雰囲気中、700℃でアニーリングを行い、p型層を更に低抵抗化する。
【0054】
以上のようにして窒化物半導体を成長させ各層を積層した後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のp型コンタクト層の表面にSiO2よりなる保護膜を形成して、RIE(反応性イオンエッチング)を用いSiCl4ガスによりエッチングし、図1に示すように、n電極を形成すべきn型コンタクト層103の表面を露出させる。このように窒化物半導体を深くエッチングするには保護膜としてSiO2が最適である。
【0055】
次に上述したストライプ状の導波路領域として、リッジストライプを形成する。まず、最上層のp型コンタクト層(上部コンタクト層)のほぼ全面に、PVD装置により、Si酸化物(主として、SiO2)よりなる第1の保護膜161を0.5μmの膜厚で形成した後、第1の保護膜161の上に所定の形状のマスクをかけ、RIE(反応性イオンエッチング)装置により、CF4ガスを用い、フォトリソグラフィー技術によりストライプ幅1.6μmの第1の保護膜161とする。この時、リッジストライプの高さ(エッチング深さ)は、p型コンタクト層111、およびp型クラッド層109、p型光ガイド層110の一部をエッチングして、p型光ガイド層109の膜厚が0.1μmとなる深さまでエッチングして、形成する。
【0056】
次に、リッジストライプ形成後、第1の保護膜161の上から、Zr酸化物(主としてZrO2)よりなる第2の保護膜162を、第1の保護膜161の上と、エッチングにより露出されたp型光ガイド層109の上に0.5μmの膜厚で連続して形成する。
【0057】
第2の保護膜162形成後、ウエハを600℃で熱処理する。このようにSiO2以外の材料を第2の保護膜として形成した場合、第2の保護膜成膜後に、300℃以上、好ましくは400℃以上、窒化物半導体の分解温度以下(1200℃)で熱処理することにより、第2の保護膜が第1の保護膜の溶解材料(フッ酸)に対して溶解しにくくなるため、この工程を加えることがさらに望ましい。
【0058】
次に、ウエハをフッ酸に浸漬し、第1の保護膜161をリフトオフ法により除去する。このことにより、p型コンタクト層111の上に設けられていた第1の保護膜161が除去されて、p型コンタクト層が露出される。以上のようにして、図1に示すように、リッジストライプの側面、及びそれに連続する平面(p型光ガイド層109の露出面)に第2の保護膜162が形成される。
【0059】
このように、p型コンタクト層112の上に設けられた第1の保護膜161が、除去された後、図1に示すように、その露出したp型コンタクト層111の表面にNi/Auよりなるp電極120を形成する。但しp電極120は100μmのストライプ幅として、図1に示すように、第2の保護膜162の上に渡って形成する。第2の保護膜162形成後、既に露出させたn型コンタクト層103の表面にはTi/Alよりなるストライプ状のn電極121をストライプと平行な方向で形成する。
【0060】
次に、n電極を形成するためにエッチングして露出された面でp,n電極に、取り出し電極を設けるため所望の領域にマスクし、SiO2とTiO2よりなる誘電体多層膜164を設けた後、p,n電極上にNi−Ti−Au(1000Å−1000Å−8000Å)よりなる取り出し(パット)電極122,123をそれぞれ設けた。この時、活性層107の幅は、200μmの幅(共振器方向に垂直な方向の幅)であり、共振器面(反射面側)にもSiO2とTiO2よりなる誘電体多層膜が設けられる。
【0061】
以上のようにして、n電極とp電極とを形成した後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、窒化物半導体のM面(GaNのM面、(1 1- 0 0)など)でバー状に分割して、更にバー状のウエハを分割してレーザ素子を得る。この時、共振器長は、650μmである。
【0062】
室温においてしきい値2.8kA/cm2、5〜30mWの出力において発振波長405nmの連続発振のレーザ素子が得られる。レーザ素子の素子寿命は、60℃、5mWの連続発振において約2000時間となり、特性温度も後述する比較例に対して向上する。
【0063】
[実施例2]
第1のキャップ層108aを除いて実施例1と同様にして窒化物ガリウム系化合物半導体レーザを作製する。第1のキャップ層108aを、温度900℃で、原料ガスにTMA、TMG及びアンモニアを用いてアンドープAl0.3Ga0.7Nとして約35Åの膜厚で成長させる。この窒化ガリウム系化合物半導体レーザも、実施例1と同様の寿命と特性温度を示す。
【0064】
[実施例3]
第1のキャップ層108aを除いて実施例1と同様にして窒化物ガリウム系化合物半導体レーザを作製する。第1のキャップ層108aを、温度を900℃にして、原料ガスにTMI(トリメチルインジウム)、TMG及びアンモニアを用い、アンドープIn0.05Ga0.95Nとして約100Åの膜厚で成長させる。この窒化ガリウム系化合物半導体レーザも、実施例1と同様の寿命と特性温度を示す。
【0065】
[実施例4]
活性層107の最終層を約40Å厚の井戸層とし、第1のキャップ層108aの厚さを約60Åとする他は、実施例3と同様にして窒化物ガリウム系化合物半導体レーザを作製する。この窒化ガリウム系化合物半導体レーザも、実施例1と同様の寿命と特性温度を示す。
【0066】
[実施例5]
活性層107、第1のキャップ層108a、及び第2のキャップ層108bを次のように成長させるほかは実施例1と同様にして窒化ガリウム系化合物半導体レーザを作製する。
(活性層107)
次に、温度を900℃にして、原料ガスにTMI(トリメチルインジウム)、TMG及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Siを5×1018/cm3ドープしたIn0.05Ga0.95Nよりなる障壁層(B)を140Åの膜厚で、シランガスを止め、アンドープのIn0.1Ga0.9Nよりなる井戸層(W)を70Åの膜厚で、この障壁層(B)、井戸層(W)を、(B)/(W)/(B)/(W)・・・・/(B)の順に積層する。最終層は、障壁層とし、最終層のみSiのドープ量を1×1018/cm3とする。活性層107は、総膜厚560Åの多重量子井戸構造(MQW)となる。
【0067】
(第1のキャップ層108a)
次に、同様の温度で、原料ガスにTMA、TMG及びアンモニアを用い、Al0.15Ga0.85Nよりなる第1のキャップ層108aを30Åの膜厚で成長させる。
【0068】
(第2のキャップ層108b)
次に、温度を1000℃に上げ、原料ガスにTMA、TMG及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてCp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、Mgを7.5×1018/cm3ドープしたAl0.25Ga0.75Nよりなる第2キャップ層108bを70Åの膜厚で成長させる。
これにより得られるレーザ素子は室温においてしきい値2.8kA/cm2、5〜30mWの出力において発振波長405nmの連続発振のレーザ素子が得られる。レーザ素子の素子寿命は、60℃、5mWの連続発振において約3500時間となり、特性温度も後述する比較例に対して向上する。
【0069】
[実施例6]
第1のキャップ層108a、及び第2のキャップ層108bを次のように成長させるほかは実施例5と同様にして窒化ガリウム系化合物半導体レーザを作製する。
【0070】
(第1のキャップ層108a)
900℃で、原料ガスにTMA、TMG及びアンモニアを用い、GaNよりなる第1のキャップ層108aを30Åの膜厚で成長させる。
【0071】
(第2のキャップ層108b)
次に、温度を1000℃に上げ、原料ガスにTMA、TMG及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてCp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、Mgを7.5×1018/cm3ドープしたAl0.25Ga0.75Nよりなる第2キャップ層108bを100Åの膜厚で成長させる。
これにより得られるレーザ素子は室温においてしきい値2.8kA/cm2、5〜30mWの出力において発振波長405nmの連続発振のレーザ素子が得られる。レーザ素子の素子寿命は、60℃、5mWの連続発振において約3000時間となり、特性温度も後述する比較例に対して向上する。
【0072】
[実施例7]
活性層107、第1のキャップ層108a、及び第2のキャップ層108bを次のように成長させるほかは実施例1と同様にして窒化ガリウム系化合物半導体レーザを作製する。
(活性層107)
次に、温度を900℃にして、原料ガスにTMI(トリメチルインジウム)、TMG及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Siを5×1018/cm3ドープしたIn0.05Ga0.95Nよりなる障壁層(B)を140Åの膜厚で、シランガスを止め、アンドープのIn0.1Ga0.9Nよりなる井戸層(W)を70Åの膜厚で、この障壁層(B)、井戸層(W)を、(B)/(W)/(B)/(W)・・・・/(B)の順に積層する。最終層は、障壁層とし、Siのドープ量を1×1018/cm3のIn0.05Ga0.95Nよりなる層(膜厚が100Å)、アンドープのIn0.05Ga0.95Nよりなる層(膜厚が50Å)の2層が順に積層されたそうとする。活性層107は、総膜厚570Åの多重量子井戸構造(MQW)となる。
【0073】
(第1のキャップ層108a)
次に、同様の温度で、原料ガスにTMA、TMG及びアンモニアを用い、Al0.15Ga0.85Nよりなる第1のキャップ層108aを30Åの膜厚で成長させる。
【0074】
(第2のキャップ層108b)
次に、温度を1000℃に上げ、原料ガスにTMA、TMG及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてCp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、Mgを7.5×1018/cm3ドープしたAl0.25Ga0.75Nよりなる第2キャップ層108bを70Åの膜厚で成長させる。
これにより得られるレーザ素子は室温においてしきい値2.8kA/cm2、5〜30mWの出力において発振波長405nmの連続発振のレーザ素子が得られる。レーザ素子の素子寿命は、60℃、5mWの連続発振において約2800時間となり、特性温度も後述する比較例に対して向上する。
【0075】
[変形例1]
次に変形例として活性層107、第1のキャップ層108a、及び第2のキャップ層108bを次のように成長させる。ほかの構成は実施例1と同様にして窒化ガリウム系化合物半導体レーザを作製する。
(活性層107)
次に、温度を900℃にして、原料ガスにTMI(トリメチルインジウム)、TMG及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Siを5×1018/cm3ドープしたIn0.05Ga0.95Nよりなる障壁層(B)を140Åの膜厚で、シランガスを止め、アンドープのIn0.1Ga0.9Nよりなる井戸層(W)を70Åの膜厚で、この障壁層(B)、井戸層(W)を、(B)/(W)/(B)/(W)・・・・/(B)の順に積層する。最終層は、障壁層とし、最終層のみアンドープとする。活性層107は、総膜厚560Åの多重量子井戸構造(MQW)となる。
【0076】
(第1のキャップ層108a)
次に、同様の温度で、原料ガスにTMA、TMG及びアンモニアを用い、GaNよりなる第1のキャップ層108aを30Åの膜厚で成長させる。
【0077】
(第2のキャップ層108b)
次に、温度を1000℃に上げ、原料ガスにTMA、TMG及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてCp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、Mgを7.5×1018/cm3ドープしたAl0.25Ga0.75Nよりなる第2キャップ層108bを70Åの膜厚で成長させる。
このレーザ素子においては、第1のキャップ層108aに最も近いn型不純物を添加した窒化ガリウム系化合物半導体からなる層は、アンドープの障壁層とアンドープの井戸層を間に介したSiドープの障壁層となり、n型不純物を添加した層とp型不純物を添加した層との間のアンドープの層の総膜厚は240Åとなる。
これにより得られるレーザ素子は、全ての実施例と比べて寿命は短くなるが、比較例1〜3と比べて寿命は長くなる。
【0078】
[比較例1]
第1のキャップ層108aを形成せずに、活性層107の上に直接第2のキャップ層108bを形成する他は、実施例1と同様にして窒化ガリウム系化合物半導体レーザを作製する。室温においてしきい値4.0kA/cm2、5〜30mWの出力において発振波長405nmの連続発振のレーザ素子が得られる。レーザ素子の素子寿命は、60℃、5mWの連続発振において約1000時間となり、特性温度は、約200Kとなる。
【0079】
[比較例2]
第1のキャップ層108aを形成せずに、活性層107の上に直接第2のキャップ層108bを以下のようにして形成する他は、実施例1と同様にして窒化ガリウム系化合物半導体レーザを作製する。
(第2のキャップ層108b)
【0080】
次に、温度を1000℃に上げ、原料ガスにTMA、TMG及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてCp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、Mgを1.0×1019/cm3ドープしたAl0.3Ga0.7Nよりなる第2キャップ層108bを100Åの膜厚で成長させる。
室温においてしきい値2.8kA/cm2、5〜30mWの出力において発振波長405nmの連続発振のレーザ素子が得られる。レーザ素子の素子寿命は、60℃、5mWの連続発振において約1000時間となり、特性温度は、約200Kとなる。
【0081】
[比較例3]
第1のキャップ層108a、及び第2のキャップ層108bを次のように成長させるほかは実施例1と同様にして窒化ガリウム系化合物半導体レーザを作製する。
【0082】
(第1のキャップ層108a)
900℃で、原料ガスにTMA、TMG及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてCp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、Mgを1.0×1019/cm3ドープしたGaNよりなる第1のキャップ層108aを30Åの膜厚で成長させる。
【0083】
(第2のキャップ層108b)
次に、温度を1000℃に上げ、原料ガスにTMA、TMG及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてCp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、Mgを7.5×1018/cm3ドープしたAl0.25Ga0.75Nよりなる第2キャップ層108bを100Åの膜厚で成長させる。
【0084】
これにより得られるレーザ素子は、第1キャップ層のp型不純物が第2キャップ層と比べて多いことから、寿命が短くなり、60℃、5mWの連続発振において約800時間となり、また第2キャップ層のp型不純物が第1キャップ層と比べて少ないことから、実施例1と比べてVfが高くなる。
【0085】
【発明の効果】
本件発明によれば、Inを含む活性層の上に形成するp型キャップ層を、不純物濃度が低い(好ましくはノンドープの)第1のキャップ層と、p型不純物をドープした第2のキャップ層との2層により構成することにより、活性層とp型キャップ層の界面付近で起こるドナーとアクセプタの補償を抑制できるため、p型キャップ層のp型不純物濃度を減少して、長寿命で温度特性に優れた窒化ガリウム系化合物半導体素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、本発明の一実施形態を説明する模式断面図である。
【図2】 図2(a)及び(b)は、従来(図2(a))及び本発明(図2(b))に係る窒化ガリウム系化合物半導体素子の活性層とp型キャップ層の界面付近の様子を示す模式図である。
【図3】 図3は、従来の窒化ガリウム系化合物半導体素子の一例を示す模式断面図である。
【符号の簡単な説明】
101 基板(GaN基板)、
102 バッファ層、
103 n型コンタクト層、
104 クラック防止層、
105 n型クラッド層、
106 n型光ガイド層、
107 活性層、
108a 第1のキャップ層、
108b 第2のキャップ層、
109 p型光ガイド層、
110 p型クラッド層、
111 p型コンタクト層。[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a nitride semiconductor (InXAlYGa1-XYThe present invention relates to a gallium nitride compound semiconductor device using N, 0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1), and more particularly to a gallium nitride compound semiconductor device having an active layer containing In.
[0002]
[Prior art]
Gallium nitride compound semiconductor elements using nitride semiconductors are light emitting elements such as light emitting diode elements (LEDs) and laser diode elements (LD), light receiving elements such as solar cells and photosensors, or electrons such as transistors and power devices. Used for devices. In particular, a semiconductor laser element using a nitride semiconductor is considered to be capable of oscillating in a wide range of visible light from the ultraviolet region to the red region. It is expected to be a wide variety of light sources such as networks.
[0003]
Conventional gallium nitride-based compound semiconductor elements often have a hetero pn junction in which an n-type active layer containing In and a p-type cladding layer containing Al are combined in a basic configuration. In addition, since the n-type active layer containing In is easily decomposed, in order to prevent decomposition of the active layer when growing the p-type cladding layer at a relatively high temperature, the n-type active layer is interposed between the n-type active layer and the p-type cladding layer. In many cases, a cap layer made of AlGaN is formed into a thin film.
[0004]
As an example of a conventional gallium nitride-based compound semiconductor device, a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor laser is shown in FIG. The nitride semiconductor laser of FIG. 3 has a double heterostructure in which an MQW active layer made of InGaN is sandwiched between n-type and p-type AlGaN cladding layers. An n-type AlGaN
[0005]
The
[0006]
With the gallium nitride compound semiconductor laser having the structure shown in FIG. 3, it is possible to achieve a lifetime exceeding 10,000 hours under the condition of continuous oscillation at room temperature and 5 mW.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, gallium nitride-based compound semiconductor devices are required to have a further improved device life in order to expand their applications. In particular, for a gallium nitride-based compound semiconductor laser, improvement in device lifetime is extremely important, and further, improvement in threshold characteristics during high-temperature operation is also required.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor has found that in the gallium nitride-based compound semiconductor device, (1) the lower the impurity concentration of the p-type cap layer adjacent to the n-type active layer, the better the device life and temperature characteristics, and (2) As a result of the n-type and p-type impurities canceling each other out at the pn junction interface between the n-type active layer and the p-type cap layer, the present invention has been made by paying attention to the presence of impurities that do not contribute to carrier generation. .
[0009]
The point (2) will be described in detail with reference to FIG. FIG. 2A is a schematic diagram showing a state of a pn junction interface between a p-type cap layer and an n-type active layer in a conventional nitride semiconductor device. As shown in the figure, the p-type impurity 10 doped in the p-type cap layer emits holes, and the n-
[0010]
Therefore, a gallium nitride compound semiconductor device according to the present invention includes an active layer made of an n-type gallium nitride compound semiconductor doped with n-type impurities and a p-type gallium nitride-based compound containing Al and doped with p-type impurities. A gallium nitride-based compound semiconductor element having a p-type cladding layer made of a compound semiconductor, comprising a first cap layer made of a gallium nitride-based compound semiconductor between the active layer and the p-type cladding layer, and Al laminating a second cap layer made of a p-type gallium nitride compound semiconductor doped with a p-type impurity;The first cap layer includes an n-type impurity having a lower concentration than the active layer and a p-type impurity having a lower concentration than the second cap layer,The n-type impurity concentration of the first cap layer is high on the side close to the active layer,To be lower on the side closer to the second cap layerThe p-type impurity concentration of the first cap layer is higher on the side closer to the second cap layer, and decreases with increasing distance from the active layer;To be lower on the side closer to the active layerIt is characterized by decreasing with increasing distance from the second cap layer.
[0011]
Preferably, the first cap layer is formed in contact with the active layer, and the second cap layer is formed in contact with the first cap layer. More preferably, a p-type light guide layer is formed in contact with the second cap layer.
[0012]
FIG. 2B is a schematic diagram showing the state of the pn junction interface between the p-type cap layer and the n-type active layer in the nitride semiconductor device according to the present invention. As shown in FIG. 2B, according to the present invention, the n-type active layer and the p-type cap layer (= Since the second cap layer is provided between the second cap layer and the p-type cap layer containing a high-concentration impurity directly contacts the n-type active layer (in the case of FIG. 2A), the donor and acceptor are compensated. Can be suppressed. Therefore, the doping amount of the p-type impurity into the p-type cap layer (= second cap layer) can be reduced by the amount of compensation, and the device life and characteristic temperature can be improved.
[0013]
The impurity concentration in the final device is not particularly limited, but the concentration of the n-type impurity and the p-type impurity in the first cap layer is 1.0 × 10 6.17cm-3The concentration of the p-type impurity in the second cap layer is 8.0 × 1018~ 2.0 × 1019cm-3It is preferable that In the present invention, the concentration of the n-type impurity and the p-type impurity in the first cap layer is an average value in the thickness direction of the layer. The concentration of the n-type impurity and the p-type impurity in the first cap layer has a concentration gradient in the layer thickness direction due to the influence of thermal diffusion from other layers. That is, the n-type impurity concentration in the first cap layer is high on the side close to the active layer and decreases as the distance from the active layer increases. Conversely, the p-type impurity concentration in the first cap layer is It is higher on the side closer to the cap layer, and decreases as the distance from the second cap layer increases.
[0014]
In order to effectively suppress donor and acceptor compensation, the first cap layer is preferably grown without doping with n-type impurities and p-type impurities. Even when grown without doping impurities, the first cap layer contains n-type impurities by thermal diffusion from the active layer and p-type impurities by thermal diffusion from the second cap layer. become.
[0015]
Since the first cap layer having a low impurity concentration is a high resistance layer, the first cap layer is preferably thin from the viewpoint of suppressing the driving voltage of the element. On the other hand, from the viewpoint of suppressing cancellation of p-type impurities and n-type impurities, it is preferable that the first cap layer is thicker. The effect of suppressing the compensation of the acceptor and the donor is that the n-type impurity doped in the active layer has a thermal diffusion length indicated in the first cap layer and the p-type impurity doped in the second cap layer is the first cap layer. It becomes maximum when the total length with the thermal diffusion length shown in the figure is approximately equal to the film thickness of the first cap layer. At this time, there is theoretically no region where the p-type impurity thermally diffused from the second cap layer and the n-type impurity thermally diffused from the n-type active layer coexist. Here, the thermal diffusion length exhibited by the n-type and p-type impurities in the first cap layer is based on the value indicated in the process in which the thermal diffusion of the impurities into the first cap layer occurs most actively. That is, “the thermal diffusion length exhibited by the n-type impurity in the first cap layer” refers to the thermal diffusion length exhibited by the n-type impurity at the growth temperature (absolute temperature) of the first cap layer. “The thermal diffusion length exhibited by the p-type impurity in the first cap layer” refers to the thermal diffusion length exhibited by the p-type impurity at the growth temperature (absolute temperature) of the second cap layer. When the active layer having a multi-quantum well structure having at least a well layer and a barrier layer ends in an undoped state, the total film thickness of the undoped layer and the first cap layer is equal to the above thermal layer. When the diffusion length is equal to the total, the impurity compensation suppressing effect is maximized. For example, when an active layer having a multiple quantum well structure in which non-doped well layers and n-type impurity-doped barrier layers are alternately stacked ends with the non-doped well layer, the total thickness of the well layer and the first cap layer Is equal to the sum of the thermal diffusion lengths, the impurity compensation suppression effect is maximized.
Here, the thermal diffusion length L refers to the diffusion length of impurities after t seconds, and L is determined by the square root of (D · t) (L is a theoretical value). Here, D is a diffusion constant, and D = D0・ A2exp (−U / kT), D0Is the initial diffusion constant, a is the lattice constant of the material, U is the potential energy of the material, k is the Boltzmann constant, and T is the temperature.
[0016]
The first cap layer includes, for example, a GaN layer, InxGa1- xN layer (0 <x <1) and AlyGa1- yAn N layer (0 <y <1) can be used, and a laminate of two or more of these can be used. The GaN layer is preferable in that it is effective in suppressing In dissociation in the active layer and can easily form a layer having good crystallinity. InxGa1- xEven if the N layer is formed as a thick film, the V layerfIs preferable in that it can be stacked with good crystallinity. The AlyGa1-yN layer (0 <y <1) is preferable in that it is most effective in suppressing the dissociation of In in the active layer.
[0017]
As described above, the preferable film thickness of the first cap layer varies depending on the composition of the first cap layer because n-type and p-type impurities depend on the thermal diffusion length exhibited in the first cap layer. For example, when the first cap layer is composed of a GaN layer, the thickness of the first cap layer is desirably 15 to 100 mm (more preferably 50 to 80 mm). The first cap layer is InxGa1- xIn the case of N layers (0 <x <1), a film thickness of 15 to 150 mm (more preferably 85 to 115 mm) is desirable. The first cap layer is AlyGa1- yIn the case of N layers (0 <y <1), a film thickness of 15 to 50 mm (more preferably 20 to 50 mm) is desirable.
[0018]
On the other hand, the thickness of the second cap layer is preferably 15 to 500 mm in order to obtain a film having good crystallinity at a low temperature.
[0019]
The active layer may be a gallium nitride compound semiconductor containing In and doped with an n-type impurity, and may be any of a bulk, a single quantum well structure, and a multiple quantum well structure. Among them, it is preferable to have an active layer having a quantum well structure in which a well layer made of a gallium nitride compound semiconductor containing In and a barrier layer made of a gallium nitride compound semiconductor to which an n-type impurity is added are alternately stacked. In that case, the first cap layer contains an n-type impurity at a concentration lower than that of the barrier layer.
[0020]
Examples of the n-type impurity used in the gallium nitride compound semiconductor device of the present invention include Si, Ge, Sn, S, O, and the like, and preferably Si and Sn. The p-type impurity is not particularly limited, and examples thereof include Be, Zn, Mn, Cr, Mg, and Ca, and Mg is preferably used.
[0021]
In this specification, undoped refers to growing without adding p-type impurities, n-type impurities or the like as dopants during growth of a nitride semiconductor. For example, in an organic metal vapor phase growth method, In this case, the growth is performed without supplying the dopant as an impurity.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The gallium nitride compound semiconductor element of the present invention includes GaN, AlN, InN, or a mixed crystal gallium nitride compound semiconductor (InXAlYGa1-XYN, 0.ltoreq.X, 0.ltoreq.Y, X + Y.ltoreq.1) can be used, and a mixed crystal in which a part thereof is substituted with B or P may be used.
Here, a gallium nitride compound semiconductor laser will be described as an example of a gallium nitride compound semiconductor device.
[0023]
FIG. 1 is a sectional view showing a gallium nitride compound semiconductor laser according to the present invention. The nitride semiconductor laser shown in FIG.aGa1- aAn
[0024]
The
[0025]
The
[0026]
The
[0027]
The
[0028]
The Si diffused from the n-type
[0029]
The
[0030]
On the other hand, the
[0031]
The n-type impurity concentration of the layer made of a gallium nitride compound semiconductor to which an n-type impurity closest to the first cap layer is added among the active layers is 5.0 × 10.17~ 1.0 × 1019cm-3It is preferable that
[0032]
Hereinafter, the details of the structure of the nitride semiconductor laser shown in FIG. 1 will be described. As the
[0033]
In the case of using a heterogeneous substrate, if the element structure is formed through a base layer made of a buffer layer (low temperature growth layer) and a nitride semiconductor (preferably GaN), the growth of the nitride semiconductor becomes good. In addition, when a nitride semiconductor grown by ELOG (Epitaxially Laterally Overgrowth) is used as a base layer (growth substrate) provided on a different substrate, a growth substrate having good crystallinity can be obtained. As a specific example of the ELOG growth layer, a nitride semiconductor layer is grown on a heterogeneous substrate, a mask region formed by providing a protective film on which the nitride semiconductor growth is difficult, and a nitride semiconductor are formed. A non-mask region to be grown is provided in a stripe shape, and a nitride semiconductor is grown from the non-mask region, so that the growth in the lateral direction is achieved in addition to the growth in the film thickness direction. There is also a layer formed by growing a nitride semiconductor. In another form, the nitride semiconductor layer grown on the different kind of substrate may be provided with an opening, and the film may be formed by lateral growth from the side of the opening.
[0034]
On the
[0035]
An
[0036]
On the
[0037]
The
[0038]
A p-type
[0039]
The first cap layer and the second cap layer are preferably formed (offset) with respect to the active layer such that the band gap energy increases as the distance from the active layer increases. That is, the first cap layer is formed of a layer having a band gap energy larger than that of the active layer (or a well layer when the active layer has a multiple quantum well structure), and the second cap layer is more than the first cap layer. The layer has a large band gap energy. With such a configuration, electrons are confined most efficiently and carrier overflow can be suppressed. As a preferable form, a layer adjacent to the first cap layer in the active layer is In.xGa1- xN layer (0 <x <1), first cap layer is GaN layer, second cap layer is AlyGa1- yN layer (0 <y <1) or a layer adjacent to the first cap layer in the active layer is InxGa1- xN layer (0 <x <1), first cap layer is GaN layer and AlyGa1- yN layer (0 <y <1) is formed in order, the second cap layer is AlzGa1- zThe N layer (y <z, 0 <z <1) may be mentioned, and these two forms are particularly good when the crystallinity is close to that of the active layer, and the lifetime of the laser element can be extended.
[0040]
The n-type nitride semiconductor layer and the p-type nitride semiconductor layer have a structure in which a light guide layer is provided, particularly in a laser device and an edge emitting device, and a structure in which a waveguide is provided by the light guide layer. It becomes. The p-side light guide layer is formed between the second cap layer and the p-side cladding layer, and is preferably formed in contact with the second cap layer. This optical guide layer has a larger band gap energy than the well layer in the active layer, and a good waveguide is provided by reducing the refractive index difference between the active layer and the optical guide layer. A superlattice structure or a single film may be formed. By forming it with a single film, the current flows more easily than in the case of using a superlattice, and VfCan be lowered. In that case, the film thickness of the single film is at least a film thickness that does not have a quantum effect, preferably a film thickness larger than any of the barrier layer, the first cap layer, and the second cap layer, more preferably It is preferable to form with a film thickness of 300 mm or more.
[0041]
Among the p-type nitride semiconductor layers, a ridge stripe is formed up to the middle of the p-type
[0042]
【Example】
As an example, a gallium nitride compound semiconductor laser having the structure shown in FIG. 1 will be described below. In each of Examples 1 to 7, the first cap layer is grown undoped, but the concentrations of the n-type impurity and the p-type impurity present in the first cap layer as the final laser element are as follows. 1.0 × 1017cm-3It becomes as follows.
[Example 1]
(Substrate 101)
As the substrate, a nitride semiconductor grown on a heterogeneous substrate, in this embodiment, GaN is grown as a thick film (100 μm), and then the heterogeneous substrate is removed and a nitride semiconductor substrate made of 80 μm GaN is used. A detailed method of forming the substrate is as follows. A heterogeneous substrate made of sapphire with a 2-inch φ and C-plane as the main surface is set in a MOVPE reaction vessel, and the temperature is set to 500 ° C., and trimethylgallium (TMG), ammonia (NHThree), And a buffer layer made of GaN is grown to a thickness of 200 mm, then the temperature is raised, and undoped GaN is grown to a thickness of 1.5 μm to form a base layer. Next, a plurality of striped masks are formed on the surface of the underlying layer, and a nitride semiconductor, GaN in this embodiment is selectively grown from the mask opening (window), and growth accompanied by lateral growth (ELOG) The nitride semiconductor layer formed in step 1) is further grown in a thick film, and the heterogeneous substrate, the buffer layer, and the base layer are removed to obtain a nitride semiconductor substrate. At this time, the mask during selective growth is SiO.2The mask width is 15 μm and the opening (window) width is 5 μm.
[0043]
(Buffer layer 102)
On the nitride semiconductor substrate, the temperature is set to 1015 ° C., and TMG (trimethylgallium), TMA (trimethylaluminum), and ammonia are used.0.05Ga0.95A
[0044]
(N-type contact layer 103)
Next, TMG, TMA, ammonia, Si-doped Al at 1015 ° C. using TMG, TMA, ammonia, silane gas as impurity gas on the obtained
[0045]
(Crack prevention layer 104)
Next, using TMG, TMI (trimethylindium), and ammonia, the temperature is set to 900 ° C. and In0.06Ga0.94A
[0046]
(N-type cladding layer 105)
Next, the temperature is set to 1015 ° C., TMA, TMG, and ammonia are used as source gases, and undoped Al0.05Ga0.95A layer of N is grown to a thickness of 25 mm, then TMA is stopped, silane gas is used as impurity gas, and Si is 5 × 10 518/ Cm3A B layer made of doped GaN is grown to a thickness of 25 mm. Then, this operation is repeated 200 times, and the A layer and the B layer are laminated to grow an n-
[0047]
(N-type light guide layer 106)
Next, at the same temperature, TMG and ammonia are used as source gases, and an n-type
[0048]
(Active layer 107)
Next, the temperature is set to 900 ° C., TMI (trimethylindium), TMG, and ammonia are used as source gas, silane gas is used as impurity gas, and Si is 5 × 10 5.18/ Cm3Doped In0.05Ga0.95The barrier layer (B) made of N has a thickness of 140 mm, the silane gas is stopped, and undoped In0.1Ga0.9The well layer (W) made of N has a thickness of 40 mm, and the barrier layer (B) and the well layer (W) are (B) / (W) / (B) / (W). Laminate in the order of B). The final layer is a barrier layer. The
[0049]
(
Next, TMA, TMG, and ammonia are used as source gases at the same temperature, and a
[0050]
(
Next, the temperature is raised to 1000 ° C., TMA, TMG and ammonia are used as source gases, and Cp is used as an impurity gas.2Mg (cyclopentadienyl magnesium) is used and Mg is 7.5 × 1018/ Cm3Doped Al0.3Ga0.7A
[0051]
(P-type light guide layer 109)
Next, the temperature is set to 1000 ° C., TMG and ammonia are used as source gases, and a p-type
[0052]
(P-type cladding layer 110)
Subsequently, undoped Al at 1000 ° C.0.05Ga0.95Grow a layer of N with a thickness of 25 mm, then stop TMA, Cp2Using Mg, a layer made of Mg-doped GaN is grown to a thickness of 25 mm, and this is repeated 90 times to grow a p-
[0053]
(P-type contact layer 111)
Finally, at 1000 ° C., Mg is deposited on the p-
[0054]
After growing the nitride semiconductor and laminating each layer as described above, the wafer is taken out of the reaction vessel, and SiO 2 is deposited on the surface of the uppermost p-type contact layer.2A protective film is formed, and SiCl is formed using RIE (reactive ion etching).FourEtching with a gas exposes the surface of the n-
[0055]
Next, a ridge stripe is formed as the above-described stripe-shaped waveguide region. First, a Si oxide (mainly SiO 2) is formed on almost the entire surface of the uppermost p-type contact layer (upper contact layer) by a PVD apparatus.2) Is formed to a thickness of 0.5 μm, a mask having a predetermined shape is put on the first protective film 161, and CF is performed by an RIE (reactive ion etching) apparatus.FourA first protective film 161 having a stripe width of 1.6 μm is formed by gas using a photolithography technique. At this time, the height (etching depth) of the ridge stripe is such that the p-
[0056]
Next, after forming the ridge stripe, a Zr oxide (mainly ZrO) is formed on the first protective film 161.2The second
[0057]
After the formation of the second
[0058]
Next, the wafer is immersed in hydrofluoric acid, and the first protective film 161 is removed by a lift-off method. As a result, the first protective film 161 provided on the p-
[0059]
Thus, after the first protective film 161 provided on the p-type contact layer 112 is removed, the exposed surface of the p-
[0060]
Next, in order to form an n-electrode, the p and n-electrodes are etched and exposed on the exposed surface, and a desired region is masked to provide a take-out electrode.2And TiO2After providing the
[0061]
After forming the n-electrode and the p-electrode as described above, a bar is formed on the nitride semiconductor M-plane (GaN M-plane, (1 1-0 0), etc.) in a direction perpendicular to the stripe-shaped electrode. Then, a bar-shaped wafer is further divided to obtain a laser element. At this time, the resonator length is 650 μm.
[0062]
Threshold value 2.8 kA / cm at room temperature2Thus, a continuous wave laser element with an oscillation wavelength of 405 nm can be obtained at an output of 5 to 30 mW. The lifetime of the laser element is about 2000 hours at 60 ° C. and 5 mW continuous oscillation, and the characteristic temperature is improved compared to the comparative example described later.
[0063]
[Example 2]
A nitride gallium compound semiconductor laser is fabricated in the same manner as in Example 1 except for the
[0064]
[Example 3]
A nitride gallium compound semiconductor laser is fabricated in the same manner as in Example 1 except for the
[0065]
[Example 4]
A nitride gallium compound semiconductor laser is fabricated in the same manner as in Example 3 except that the final layer of the
[0066]
[Example 5]
A gallium nitride-based compound semiconductor laser is fabricated in the same manner as in Example 1 except that the
(Active layer 107)
Next, the temperature is set to 900 ° C., TMI (trimethylindium), TMG, and ammonia are used as source gas, silane gas is used as impurity gas, and Si is 5 × 10 5.18/ Cm3Doped In0.05Ga0.95The barrier layer (B) made of N has a thickness of 140 mm, the silane gas is stopped, and undoped In0.1Ga0.9The well layer (W) made of N has a thickness of 70 mm, and the barrier layer (B) and the well layer (W) are (B) / (W) / (B) / (W). Laminate in the order of B). The final layer is a barrier layer, and only the final layer has a Si doping amount of 1 × 1018/ Cm3And The
[0067]
(
Next, at the same temperature, TMA, TMG and ammonia are used as source gases, and Al0.15Ga0.85A
[0068]
(
Next, the temperature is raised to 1000 ° C., TMA, TMG and ammonia are used as source gases, and Cp is used as an impurity gas.2Mg (cyclopentadienyl magnesium) is used and Mg is 7.5 × 1018/ Cm3Doped Al0.25Ga0.75A
The laser element thus obtained has a threshold value of 2.8 kA / cm at room temperature.2Thus, a continuous wave laser element with an oscillation wavelength of 405 nm can be obtained at an output of 5 to 30 mW. The element lifetime of the laser element is about 3500 hours at 60 ° C. and 5 mW continuous oscillation, and the characteristic temperature is improved compared to the comparative example described later.
[0069]
[Example 6]
A gallium nitride-based compound semiconductor laser is fabricated in the same manner as in Example 5 except that the
[0070]
(
At 900 ° C., TMA, TMG, and ammonia are used as source gases, and a
[0071]
(
Next, the temperature is raised to 1000 ° C., TMA, TMG and ammonia are used as source gases, and Cp is used as an impurity gas.2Mg (cyclopentadienyl magnesium) is used and Mg is 7.5 × 1018/ Cm3Doped Al0.25Ga0.75A
The laser element thus obtained has a threshold value of 2.8 kA / cm at room temperature.2Thus, a continuous wave laser element with an oscillation wavelength of 405 nm can be obtained at an output of 5 to 30 mW. The lifetime of the laser element is about 3000 hours at 60 ° C. and 5 mW continuous oscillation, and the characteristic temperature is improved compared to the comparative example described later.
[0072]
[Example 7]
A gallium nitride-based compound semiconductor laser is fabricated in the same manner as in Example 1 except that the
(Active layer 107)
Next, the temperature is set to 900 ° C., TMI (trimethylindium), TMG, and ammonia are used as source gas, silane gas is used as impurity gas, and Si is 5 × 10 5.18/ Cm3Doped In0.05Ga0.95The barrier layer (B) made of N has a thickness of 140 mm, the silane gas is stopped, and undoped In0.1Ga0.9The well layer (W) made of N has a thickness of 70 mm. The barrier layer (B) and the well layer (W) are (B) / (W) / (B) / (W). Laminate in the order of B). The final layer is a barrier layer, and the Si doping amount is 1 × 1018/ Cm3In0.05Ga0.95N layer (thickness is 100 mm), undoped In0.05Ga0.95It is assumed that two layers of N (thickness: 50 mm) are sequentially stacked. The
[0073]
(
Next, at the same temperature, TMA, TMG and ammonia are used as source gases, and Al0.15Ga0.85A
[0074]
(
Next, the temperature is raised to 1000 ° C., TMA, TMG and ammonia are used as source gases, and Cp is used as an impurity gas.2Mg (cyclopentadienyl magnesium) is used and Mg is 7.5 × 1018/ Cm3Doped Al0.25Ga0.75A
The laser element thus obtained has a threshold value of 2.8 kA / cm at room temperature.2Thus, a continuous wave laser element with an oscillation wavelength of 405 nm can be obtained at an output of 5 to 30 mW. The lifetime of the laser element is about 2800 hours at 60 ° C. and 5 mW continuous oscillation, and the characteristic temperature is improved compared to the comparative example described later.
[0075]
[Modification 1]
Next, as a modification, the
(Active layer 107)
Next, the temperature is set to 900 ° C., TMI (trimethylindium), TMG, and ammonia are used as source gas, silane gas is used as impurity gas, and Si is 5 × 10 5.18/ Cm3Doped In0.05Ga0.95The barrier layer (B) made of N has a thickness of 140 mm, the silane gas is stopped, and undoped In0.1Ga0.9The well layer (W) made of N has a thickness of 70 mm, and the barrier layer (B) and the well layer (W) are (B) / (W) / (B) / (W). Laminate in the order of B). The final layer is a barrier layer, and only the final layer is undoped. The
[0076]
(
Next, TMA, TMG and ammonia are used as source gases at the same temperature, and a
[0077]
(
Next, the temperature is raised to 1000 ° C., TMA, TMG and ammonia are used as source gases, and Cp is used as an impurity gas.2Mg (cyclopentadienyl magnesium) is used and Mg is 7.5 × 1018/ Cm3Doped Al0.25Ga0.75A
In this laser element, the layer made of a gallium nitride compound semiconductor to which the n-type impurity closest to the
The laser device thus obtained has a shorter life than all the examples, but has a longer life than the first to third comparative examples.
[0078]
[Comparative Example 1]
A gallium nitride-based compound semiconductor laser is fabricated in the same manner as in Example 1 except that the
[0079]
[Comparative Example 2]
A gallium nitride compound semiconductor laser is fabricated in the same manner as in Example 1 except that the
(
[0080]
Next, the temperature is raised to 1000 ° C., TMA, TMG, and ammonia are used as the source gas, Cp 2 Mg (cyclopentadienyl magnesium) is used as the impurity gas, and Mg is 1.0 × 10 6.19/ Cm3Doped Al0.3Ga0.7A
Threshold value 2.8 kA / cm at room temperature2Thus, a continuous wave laser element with an oscillation wavelength of 405 nm can be obtained at an output of 5 to 30 mW. The lifetime of the laser element is about 1000 hours at 60 ° C. and 5 mW continuous oscillation, and the characteristic temperature is about 200K.
[0081]
[Comparative Example 3]
A gallium nitride compound semiconductor laser is fabricated in the same manner as in Example 1 except that the
[0082]
(
At 900 ° C., TMA, TMG and ammonia are used as source gases, and Cp as impurity gas2Mg (cyclopentadienyl magnesium) is used and Mg is 1.0 × 1019/ Cm3A
[0083]
(
Next, the temperature is raised to 1000 ° C., TMA, TMG and ammonia are used as source gases, and Cp is used as an impurity gas.2Mg (cyclopentadienyl magnesium) is used and Mg is 7.5 × 1018/ Cm3Doped Al0.25Ga0.75A
[0084]
The laser element obtained thereby has a shorter life because the p-type impurity in the first cap layer is larger than that in the second cap layer, and the lifetime becomes about 800 hours at 60 ° C. and 5 mW continuous oscillation. Since the p-type impurity of the layer is less than that of the first cap layer, V is lower than that of Example 1.fBecomes higher.
[0085]
【The invention's effect】
According to the present invention, the p-type cap layer formed on the active layer containing In includes the first cap layer having a low impurity concentration (preferably non-doped) and the second cap layer doped with the p-type impurity. 2 can suppress the compensation of donors and acceptors that occur near the interface between the active layer and the p-type cap layer, thereby reducing the p-type impurity concentration of the p-type cap layer and increasing the lifetime and temperature. A gallium nitride-based compound semiconductor element having excellent characteristics can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating an embodiment of the present invention.
FIGS. 2 (a) and 2 (b) show an active layer and a p-type cap layer of a gallium nitride-based compound semiconductor device according to the prior art (FIG. 2 (a)) and the present invention (FIG. 2 (b)). It is a schematic diagram which shows the mode of the interface vicinity.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a conventional gallium nitride compound semiconductor device.
[Brief description of symbols]
101 substrate (GaN substrate),
102 buffer layer,
103 n-type contact layer,
104 crack prevention layer,
105 n-type cladding layer,
106 n-type light guide layer,
107 active layer,
108a the first cap layer,
108b the second cap layer;
109 p-type light guide layer,
110 p-type cladding layer,
111 p-type contact layer.
Claims (17)
窒化ガリウム系化合物半導体から成る第1のキャップ層と、
Alを含みp型不純物をドープしたp型窒化ガリウム系化合物半導体から成る第2のキャップ層とを積層し、
前記第1のキャップ層は、前記活性層よりも低濃度のn型不純物と前記第2のキャップ層よりも低濃度のp型不純物とを含み、
前記第1のキャップ層のn型不純物濃度は、活性層に近い側で高く、前記第2のキャップ層に近い側で低くなるように活性層から離れるに従って減少しており、前記第1のキャップ層のp型不純物濃度は、前記第2のキャップ層に近い側で高く、前記活性層に近い側で低くなるように第2キャップ層から離れるに従って減少していることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体素子。A gallium nitride system having an active layer made of an n-type gallium nitride compound semiconductor doped with n-type impurities and containing p, and a p-type cladding layer made of a p-type gallium nitride compound semiconductor doped with p-type impurities and containing Al In the compound semiconductor device, between the active layer and the p-type cladding layer,
A first cap layer made of a gallium nitride compound semiconductor;
Laminating a second cap layer made of a p-type gallium nitride compound semiconductor containing Al and doped with a p-type impurity;
The first cap layer includes an n-type impurity having a lower concentration than the active layer and a p-type impurity having a lower concentration than the second cap layer,
The n-type impurity concentration of the first cap layer decreases as the distance from the active layer increases so as to be higher on the side closer to the active layer and lower on the side closer to the second cap layer. The p-type impurity concentration of the layer is high on the side close to the second cap layer, and decreases with increasing distance from the second cap layer so as to be low on the side close to the active layer. Compound semiconductor device.
前記活性層と前記p型クラッド層との間に、前記活性層よりも低濃度のn型不純物と前記p型クラッド層よりも低濃度のp型不純物とを含む窒化ガリウム系化合物半導体から成る第1のキャップ層と、Alを含みp型不純物をドープしたp型窒化ガリウム系化合物半導体から成る第2のキャップ層とを積層し、
前記第1のキャップ層の膜厚を、前記活性層にドープされたn型不純物が前記第1のキャップ層中で示す熱拡散長と前記第2のキャップ層にドープされたp型不純物が前記第1のキャップ層中で示す熱拡散長との合計長以下にすることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体素子の製造方法。A gallium nitride system having an active layer made of an n-type gallium nitride compound semiconductor doped with n-type impurities and containing p, and a p-type cladding layer made of a p-type gallium nitride compound semiconductor doped with p-type impurities and containing Al A method for producing a compound semiconductor device, comprising:
A gallium nitride-based compound semiconductor comprising an n-type impurity at a lower concentration than the active layer and a p-type impurity at a lower concentration than the p-type cladding layer between the active layer and the p-type cladding layer. A first cap layer and a second cap layer made of a p-type gallium nitride compound semiconductor doped with p-type impurities and including Al,
The film thickness of the first cap layer is determined by the thermal diffusion length of the n-type impurity doped in the active layer in the first cap layer and the p-type impurity doped in the second cap layer. A method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor device, wherein the total length is equal to or less than a total length of the thermal diffusion length shown in the first cap layer.
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